(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210991573.X (22)申请日 2022.08.18 (71)申请人 山东科技大 学 地址 266590 山东省青岛市黄岛区前湾港 路579号 (72)发明人 汪锋　颉泽琦　陈绍杰　尹大伟　 祝伟豪　鲁浪　陈泽涛　 (74)专利代理 机构 北京云嘉 湃富知识产权代理 有限公司 1 1678 专利代理师 谢子运 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/10(2006.01) E21B 47/04(2012.01) E21B 47/00(2012.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种工作面近正断层开采保护煤柱宽度设 计方法 (57)摘要 本发明公开了一种工作面近正断层开采保 护煤柱宽度设计方法， 包括以下步骤： 收集工作 面附近断层的产状要素和钻孔周围各个岩层的 力学参数； 通过对上覆岩层发挥控制作用的关键 层位置判别条件， 判别关键层的位置； 基于关键 层的位置， 根据关键层距离煤层的高度， 判断工 作面上覆岩层导水裂隙带的高度； 由基岩破断 线、 煤层顶界面、 断层线和导水裂隙带高度确定 上覆岩层组形态特征和尺寸。 本发 明根据上覆岩 层空间形态针对不同情况设计保护煤柱各项参 数， 保证了近断层的安全开采， 对矿山开采中实 现环境保护有着一定的指导 意义。 权利要求书3页 说明书8页 附图4页 CN 115495879 A 2022.12.20 CN 115495879 A 1.一种工作面近正断层开采保护煤柱宽度设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： Step1、 收集工作面附近断层的产状要素和钻孔周围各个岩层的力学参数； Step2、 通过对上覆岩层发挥控制作用的关键层位置判别条件， 判别关键层的位置； Step3、 基于关键层的位置， 根据关键层距离煤层的高度， 判断工作面上覆岩层导水裂 隙带的高度； Step4、 由基岩破断线、 煤层顶界面、 断层线和导水裂 隙带高度确定上覆岩层组形态特 征和尺寸； Step5、 建立工作面近正断层开采上覆岩层组稳定性力学模型， 确定工作面近正断层开 采上覆岩层组稳定性判 据， 由此获得工作面近正断层开采上覆岩层组稳定时的临界保护煤 柱宽度。 2.根据权利要求1所述的一种工作面近正断层开采保护煤柱宽度设计方法， 其特征在 于， Step1中工作面附近断层的产状要素包括断层倾角和断层落差； 钻孔周围各个岩层的力学参数包括关键层的厚度、 关键层的抗拉强度、 关键层底界面 距煤层顶界面间的距离、 煤层的厚度和埋深、 基岩 中各个岩层厚度、 破断角、 所受载荷及岩 性。 3.根据权利要求2所述的一种工作面近正断层开采保护煤柱宽度设计方法， 其特征在 于， Step1的具体步骤如下： 利用物探技术在探测异常地质的方法， 通过反射槽波信 息探测工作面内断层分布确定 断层倾角和断层落差； 在煤炭开采区域地表或井下施工地面钻孔取芯保存， 并绘制钻孔综合柱状图； 根据钻 孔综合柱状图， 确定 煤炭开采区域 开采煤层的厚度、 埋深、 基岩中各岩层厚度及岩性； 通过对基岩进行取芯， 获得的试样进行单轴压缩、 单轴抗拉和三轴压缩实验确定力学 参数， 从而得到关键层的抗拉强度； 利用关键层判别方法， 基于基岩力学参数， 在钻孔综合柱状图进行关键层的判别， 得到 关键层的位置和关键层底界面与煤层顶界面间的距离； 利用钻孔测井分析仪， 在工作面巷道顶板上方打钻孔， 通过窥视结果中钻孔的深度， 绘 制出窥视钻孔破断演化图， 得 出基岩破断角。 4.根据权利要求1所述的一种工作面近正断层开采保护煤柱宽度设计方法， 其特征在 于， 根据刚度条件和强度条件式， 采用关键层判别方法对工作面的关键层位置进行判别； 具体步骤为： 设采场上覆岩层中有k层岩层， |n+1、 q1|n为第n+1和n层岩层对第1层岩层的 载荷； ln+1、 ln为第n+1和n层岩层的破断距， 根据判别关键层的刚度准则ln+1＞ln、 强度准则q1 |n+1＜q1|n， 若n＝k， 则该关键层为主关键层； 若n＜k， 则该关键层为 亚关键层。 5.根据权利要求4所述的一种工作面近正断层开采保护煤柱宽度设计方法， 其特征在 于， Step3中关键层位置确定后， 计算关键层位置距开采煤层的高度hg， 当hg大于7～10倍采 高M时， 该关键层不贯通； 当hg小于7～10倍M时， 该关键层 破断裂缝贯通； 当上覆岩层 主关键 层位于7～10倍M以外时， 导水裂隙带高度等于在7～10倍M范围内最近的关键层距煤层的高 度。 6.据权利要求5所述的一种工作面近正断层开采保护煤柱宽度设计方法， 其特征在于， Step4中由工作面停采线处的基岩破断线、 煤层顶界面所在直线、 断层 线和导水裂隙带顶界权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115495879 A 2面所在直线， 确定 工作面近正断层开采上覆岩层组形态特 征和尺寸； 具体的步骤如下： 由工作面停采线和基岩破断角确定基岩破断线， 由煤层倾角和煤层 埋深确定煤层顶界面所在直线， 由断层倾角和断层走向确定断层线， Step3确定导水裂隙带 顶界面所在直线， 四条直线组成封闭图形， 得出工作面近正断层开采上覆岩层组形态特征 和尺寸。 7.根据权利要求6所述的一种工作面近正断层开采保护煤柱宽度设计方法， 其特征在 于， Step5的具体步骤如下： Step51、 以煤层顶界面所在直线与基岩破断线的交点为原点， 煤层顶界面所在直线为X 轴， X轴向右为正方向， 垂 直于煤层顶界面所在直线为Y轴， Y轴向下为正方向， 建立工作面近 正断层开采下 上覆岩层组稳定性力学模型； Step52、 根据静力平衡关系， 分别建立X方向、 Y方向和绕O点的力矩平衡关系， 基于工作 面上覆岩层沿断层面剪切回转判别准则， 得到 工作面近正断层开采保护煤柱宽度。 8.根据权利要求7所述的一种工作面近正断层开采保护煤柱宽度设计方法， 其特征在 于， X方向、 Y方向和绕O点的力矩 平衡关系如下： 式中， L1为煤柱宽度； q(x)为煤柱支承力； h为岩层组高度； L2为岩层组顶界面宽度； σ 和 τ 为断层对岩层组的正应力和剪应力； γH为岩层组上覆载荷； θ为煤层倾角； T1和T2为亚关键 层1和2对岩层组的推力； Q1和Q2为亚关键层1和2对岩层组的摩擦力； Ti和Tn为亚关键层i和n 对岩层组的推力； Qi和Qn为亚关键层i和n对岩层组的摩擦力； q1、 l1、 i1分别为亚关键层1 的载荷、 长度、 转角、 和断裂度， 其中i1＝h1/l1； q2、 l2、 i2分别为亚关键层2的载荷、 长度、 转角、 和断裂度， 其中i2＝h2/l2； qi、 li、 ii分别为亚关键层i的载荷、 长度、 转角、 和断裂 度； qn、 ln、 in分别为亚关键层n的载荷、 长度、 转角、 和断裂度； α 为岩层组断层一侧与Y轴 负方向的夹角； β 为岩层组基岩破断线一侧与Y轴负方向的夹角； h1为煤柱顶界面与亚关键 层1底界面的高度； h2为亚关键层1的厚度； h3为亚关键层1顶界面与亚关键层2底界面的高权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115495879 A 3